авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«ISSN 2075-6836 Ф е де ра л ь н о е го с уд а р с т в е н н о е б юд ж е т н о е у ч р е ж де н и е н ау к и институт космических исследований российской академии наук (ики ран) ...»

-- [ Страница 2 ] --

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проекты № 08-02-01301-а и 08-02-13633-офи_ц), Програм мы фундаментальных исследований Президиума РАН (№ 16, часть 3), Программы фундаментальных исследований Отде ления физических наук РАН «Плазменные процессы в Сол нечной системе», гранта № 218816 (проект SOTERIA, www.

soteria.eu) седьмой рамочной программы Европейского Союза (FP07/2007-2013).

Ключевые слова: корона Солнца, вакуумный ультрафио лет, мягкий рентген, коротковолновое излучение солнечной короны, космические телескопы.

Введение Исследование солнечной короны является актуальной задачей фи зики Солнца и астрофизики в целом. Многие фундаментальные вопросы, такие как механизм солнечных вспышек, физика на грева короны, происхождение корональных выбросов массы, до сих пор остаются без ответа. Регистрируемые в короне проявления солнечной активности влияют на состояние межпланетной среды, на внешнюю ионосферу и магнитосферу Земли, т. е. обуславлива ют космическую погоду. Поэтому исследования солнечной короны и проявлений солнечной активности имеют не только фундамен тальное, но и прикладное значение.

Слемзин Владимир алексеевич — главный научный сотрудник, кандидат фи зико-математических наук, e-mail: slem@sci.lebedev.ru.

Суходрев нина Кузьминична — старший научный сотрудник, кандидат физи ко-математических наук, e-mail: suhodrev@sci.lebedev.ru.

иванов Юрий Сергеевич — ведущий конструктор, e-mail: yivanov@sci.lebedev.ru.

гончаров александр леонидович — инженер первой категории.

митрофанов александр Викторович — старший научный сотрудник, канди дат физико-математических наук, e-mail: mitrofa@sci.lebedev.ru.

Попова Светлана геннадиевна — инженер второй категории, e-mail: pgss@ mail.ru.

Шергина татьяна алексеевна — техник первой категории.

Соловьев Владимир алексеевич — ведущий электроник.

опарин Сергей николаевич — научный сотрудник, e-mail: oparin@sci.lebedev.ru.

зыков михаил Сергеевич — аспирант, e-mail: zmsmihail@gmail.com.

лучин Валерий иванович — старший научный сотрудник, кандидат физико математических наук.

Полковников Владимир николаевич — младший научный сотрудник, e-mail:

kiniokop@rambler.ru.

Салащенко николай николаевич — заведующий отделом, доктор физико-ма тематических наук, член — корреспондент РАН, e-mail: salashch@ipm.sci-nnov.ru.

цыбин николай николаевич — младший научный сотрудник, e-mail: tsybinl@ mail.ru.

Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»

В начале 1990-х гг. в России была начата программа солнечных исследований КОРОНАС (Комплексные ОРбитальные Околозем ные Наблюдения Активности Солнца). В ходе этой программы пла нировалось вывести на орбиту три спутника, предназначенных для проведения исследований солнечной активности, регистрации излу чения в различных спектральных диапазонах, ускоренных вспышеч ных частиц, проведения мониторинга межпланетной среды.

Спутник «КОРОНАС-И» [Собельман и др., 1996], первый спут ник этой программы, был запущен летом 1994 г. и проработал на орбите несколько месяцев. Второй спутник, «КОРОНАС-Ф», был запущен летом 2001 г. [Ораевский, Собельман, 2002] и успешно ра ботал до конца 2005 г.

Третий спутник программы КОРОНАС — «КОРОНАС-Фо тон» — был выведен на орбиту Земли 30 января 2009 г. [Kotov, 2004].

На борту космического аппарата находились 12 приборов, предна значенных для исследования различных проявлений активности Солнца в широком спектральном и энергетическом диапазоне. На учное руководство проектом КОРОНАС-ФОТОН осуществлялось Институтом астрофизики (ИАФ) «Национального исследователь ского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ).

эКСПеримент теСиС Для спутника «КОРОНАС-Фотон» в ФИАН был разработан новый комплекс космических телескопов и спектрометров ТЕСИС. Ос новная цель эксперимента ТЕСИС — исследование короны Солн ца в широком диапазоне высот и температур. В аппаратуре реали зовывался апробированный ранее на предыдущих спутниках серии «КОРОНАС» метод изображающей спектроскопии Солнца. Этот метод заключается в регистрации изображений полного диска с вы соким пространственным, спектральным и временны`м разрешени ем в коротковолновой области спектра — мягком рентгеновском (МР) и вакуумном ультрафиолетовом (ВУФ) диапазонах длин волн.

Принципиальным в методе изображающей спектроскопии яв ляется регистрация изображений в узких спектральных интервалах, в идеале — отдельных монохроматических линиях, что позволяет определять параметры плазмы (температуру, плотность, обилия эле ментов и др.) солнечной короны с высокой точностью, характерной для спектральных методов исследования.

Среди задач эксперимента ТЕСИС — исследование механизмов накопления и высвобождения энергии в атмосфере Солнца, изуче ние активных солнечных процессов (вспышек и выбросов массы), 44 С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.

диагностика физических условий в корональной и вспышечной плазме. Комплекс приборов ТЕСИС имел высокое пространствен ное (до 1,7 угл. с) и временно`е (до 1 с) разрешение, позволял прово дить наблюдения как в нижней атмосфере Солнца, так и на больших расстояниях от его поверхности (до трех радиусов), а также иссле довать плазму в широком спектральном диапазоне с высоким раз решением (до 0,01 ).

Научная аппаратура ТЕСИС включала шесть независимых кана лов регистрации — телескопы ВУФ-диапазона, спектрогелиографы МР- и ВУФ-диапазонов и спектрометр-фотометр «Сфинкс» рентге новского диапазона [Sylwester et al., 2008]. Основные характеристики каналов регистрации ТЕСИС приведены в таблице.

Конструктивно аппаратура ТЕСИС состояла из трех блоков:

блока датчиков (БД), блока электроники (БЭ) и блока оптических датчиков (ОД). Блок датчиков (рис. 1) являлся основным блоком, содержащим научную аппаратуру для регистрации солнечных изо бражений и спектров.

рис. 1. Схема БД ТЕСИС Характеристики аппаратуры теСиС Поле Селективность, / доминирующие Форма по- размер зер угловой наименова- Фокусное Канал зрения, ионы верхности кала, мм размер ние прибора, расстояние регистра угл. град зеркала пиксела, оптическая телескопов ции/длина угл. с схема волны, F, мм 132/171 Телескоп 1630 1,71 1 ~26 (132 ) Fe XIX, Fe XX, Внеосевая высокого ~28 (171 ) Fe XXIII (132 ) парабола разрешения Fe IX (171 ) по оптиче ской схеме Гершеля 171/304 То же 1630 1,71 1 ~28 (171 ) Fe IX (171 ) То же ~30 для (304 ) He II, Si XI (304 ) 280…330 Спектро- 600 4,6 2 ~7, дисперсия Fe XV, Ni XVIII, Осевая гелиограф (в направ- ~0,0285 /пиксел Si IX, Ca XVIII, Si парабола ВУФ- лении XI, He II, Mg VIII диапазона диспер- и др.

сии) 304 Телескоп- 600 4,6 2 ~7 He II, Si XI То же Первичное коронограф зеркало — широкого 80/20, поля зрения вторичное по оптиче- зеркало — ской схеме Ричи – Кре тьена 8,42 Спектро- 1200 2,3 1,3 ~210, дисперсия Mg XII Сфера гелиограф ~3,8·10–4 /пиксел Mg XII Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»

«Сфинкс» Твердотельный Si-спектрометр, 0,5…15 кэВ 46 С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.

Блок электроники содержал центральный процессор, оператив ную память и электронные интерфейсы для подключения БД и ОД, а также связи со служебными системами спутника. Блок оптических датчиков представлял собой два соосных противонаправленных телескопа с осью визирования, перпендикулярной оси на Солнце, и служил для определения текущей ориентации аппаратуры ТЕСИС и спутника «КОРОНАС-Фотон».

оПтичеСКие элементы аППаратуры теСиС Регистрация изображений солнечной короны в коротковолновой области спектра требовала, с одной стороны, применения высоко эффективной питающей оптики и чувствительных детекторов изо бражений, с другой — высокую степень блокировки мощного сол нечного излучения видимого диапазона. В качестве фокусирующих элементов в аппаратуре ТЕСИС использовались многослойные зер кала нормального падения (на диапазоны вблизи 132, 171 и 304 ) и кристаллическое фокусирующее зеркало нормального падения (на диапазон 8,42 ). Детекторы изображений аппаратуры ТЕСИС вы полнены на основе backside ПЗС-матриц, форматом 20482048 пик селов. Блокировка излучения видимого диапазона осуществлялась двойной системой фильтрации на основе многослойных тонкопле ночных фильтров.

Многослойные зеркала ВУФ-диапазона были изготовлены ме тодом магнетронного напыления в Институте физики микрострук тур РАН (ИФМ РАН) (Нижний Новгород). Для этого были раз работаны технологии многослойных покрытий, обеспечивающих требуемые характеристики по пиковому коэффициенту отражения и спектральной селективности. Покрытие для диапазона вблизи было выполнено на основе многослойной Mo/Si-структуры, изме рение характеристик которой дало следующие результаты: R 64 %, / 26. Покрытие для диапазона вблизи 171 представляло со бой многослойную Al/Zr-структуру, пиковый коэффициент отра жения и спектральная селективность которой составили R 56 % и / 28, соответственно.

Для диапазона вблизи 304 изготовлены как широкополосные зеркала на основе Mo/Si-структур ( / 10), так и узкополосные зеркала на основе структуры Si/Cr/Mg/B4C, для которой измерен ные характеристики пикового коэффициента отражения и спек тральной селективности составили R 30 % и / 30, соответ ственно.

Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»

Точные спектральные характеристики полученных покры тий необходимы для проведения спектроскопической диагностики плазмы солнечной короны по наблюдениям телескопов. Измерение этих параметров было проведено в ФИАН [Вишняков и др., 2009]. Из меренные спектральные характеристики зеркал приведены на рис. 2.

В двух телескопических каналах ТЕСИС многослойная струк тура использовалась для придания зеркалам асферической формы.

Для этого на поверхность подложки зеркала методом магнетронного напыления нанесено многослойное покрытие Cr/Sc с заданным рас пределением толщины по апертуре [Зуев и др., 2008б].

Для формирования изображений на длине волны = 8,42 в ап паратуре ТЕСИС использовалось кристаллическое фокусирующее зеркало прямоугольной формы 80100 мм, представляющее собой тонкую (толщиной 0,4 мм) пластину из кристаллического кварца, закрепленную методом оптического контакта на сферической под ложке с радиусом кривизны 2700 мм. Пластина кристаллического кварца изготовлена таким образом, что ее рабочая кристаллографи ческая плоскость [10.0] с 2d = 8,501 параллельна геометрической поверхности кристалла с высокой точностью (локальное расхожде ние ~5 угл.с). Подложка зеркала и рабочий кристалл были изготов лены в ФИАН, нанесение кристалла на подложку выполнено в Ин ституте физики микроструктур РАН (ИФМ РАН).

Эффективность отражения зеркала на рабочей длине волны была измерена на синхротронном источнике в Пекине (Китай) [Ку зин и др., 2009]. Пиковый коэффициент отражения составил 10 %, эффективная площадь зеркала — 2,5 см2.

Детекторы изображений аппаратуры ТЕСИС изготовлены на основе backside ПЗС-матриц форматом 20482048 пикселов. Ис пользовались ПЗС-матрицы CCD42-40 производства фирмы e2v (Англия). Размер одного пиксела ПЗС-матриц составляет 13,5 мкм, размер рабочей поверхности 27,527,5 мм. Детекторы, оснащенные 14-битным АЦП, работали в малокадровом режиме. Время накопле ния изображения (задавалось с Земли) варьировалось от 0,1 до 600 с.

Время считывания изображений определялось скоростью считыва ния первого пиксела (~2 мкс) и размером считываемого изображе ния (для «полных» изображений форматом 20482048 пикселов оно составляет ~8 с). Предусматривался режим считывания только части кадра, при котором время считывания уменьшалось пропорцио нально используемой площади ПЗС.

Детекторы изображений аппаратуры ТЕСИС оснащены однока скадными пельтье-холодильниками. Отвод тепла от детекторов осу ществлялся на радиаторы, практически не освещаемые Солнцем.

рис. 2. Спектральные характеристики зеркал телескопов аппаратуры ТЕСИС вблизи рабочих длин волн. Указаны наиболее сильные спектральные линии диапазонов С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.

Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»

Измерения абсолютной чувствительности детекторов на рабочих длинах волн были необходимы для точной физической интерпре тации регистрируемых изображений и спектров. Такие измерения для длины волны = 8,42 были проведены на синхротронном ис точнике в Пекине (Китай) [Кузин и др., 2009] и для ВУФ-диапазона 132…304 — на синхротронном источнике в Хэфэйе (Китай) [Ку зин и др., 2008]. Чувствительность для длины волны = 8, составила 31 ед.АЦП/фотон, для ВУФ-диапазона — от 0,01 до 0,1 ед. АЦП/фотон.

В аппаратуре ТЕСИС блокировка мощного видимого света осуществлялась системой входных фильтров и фильтров детекто ров. Входные фильтры представляли собой многослойные струк туры (Al для диапазонов вблизи 171 и 304 и Zr/Si для 132, со ответственно), нанесенные на поддерживающие сетки. Фильтры детекторов были нанесены непосредственно на рабочие поверхно сти ПЗС-матриц. Все многослойные фильтры были изготовлены в ИФМ РАН [Зуев и др., 2008а].

Входной фильтр канала на длину волны 8,42, представляющий собой алюминированный лавсан толщиной 3,8 мкм, был изготовлен в ФИАН.

Измерение спектральных характеристик фильтров в рабочих диапазонах длин волн проводилось на синхротронном источнике в Хэфэйе (Китай) и в ИФМ РАН [Кузин и др., 2009]. Степень блоки ровки видимого света, измеренная в ФИАН, составила ~106.

назначение и уСтройСтВо аППаратуры теСиС Телескопы высокого разрешения были предназначены для реги страции изображений солнечной короны в отдельных интервалах ВУФ-диапазона спектра. Спектральные диапазоны подобраны спе циально для наблюдения структур солнечной атмосферы в широком интервале температур: от переходного слоя (50 тыс. K, линия He II 304 ) до «спокойной» короны (~1 млн K, линия Fe IX 171 ) и горячей вспышечной плазмы (10…20 млн K, линии Fe XX, XXI, XXIII 132 ).

В аппаратуре ТЕСИС использовались два независимых канала:

первый на длины волн 132 и 171, второй — 171 и 304. В первом канале изображение формировалось одновременно в двух участках спектра, во втором канале выбор спектрального участка осущест влялся поворотом дополнительной диафрагмы.

Оба телескопа построены по оптической схеме Гершеля, с вне осевыми асферическими зеркалами большой апертуры. Асферизация 50 С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.

зеркал выполнена нанесением на сферические подложки много слойного покрытия с заданным профилем. Сверху на асферизую щие покрытия нанесены многослойные покрытия, селективно от ражающие падающее на них излучение в отдельных интервалах ВУФ-диапазона. Принципиальная схема телескопических каналов аппаратуры ТЕСИС приведена на рис. 3.

Первый канал телескопа с диапазонами 132 и 171 был пред назначен, в основном, для изучения мелкомасштабной структуры и динамики горячей вспышечной плазмы (10…20 млн K) по изо бражениям в линиях железа Fe XX, XXI, XXIII вблизи 132.

Поскольку такая плазма присутствует не на всем диске Солнца, а только в отдельных компактных областях [Zhitnik et al., 2003], то для определения ее положения на солнечном диске использовалось изображение «спокойной» короны, полученное в линиях холодного железа Fe IX вблизи 171.

Второй канал телескопа был предназначен для наблюдения мел комасштабной структуры и динамики «спокойной» короны (линия Fe IX 171 ) и переходного слоя (линия He II 304 ).

рис. 3. Оптическая схема телескопов в каналах 132/171 ;

171 и Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»

рис. 4. Оптическая схема телескопа-коронографа В телескопах использовались зеркала нормального паде ния с апертурой D = 100 мм, внеосевой вынос зеркал составлял h = 110 мм, фокусное расстояние телескопов — F = 1630 мм. Угло вой размер одного пиксела составлял ~1,707 угл. с.

Телескоп-коронограф широкого поля зрения был предназначен для наблюдения дальней короны Солнца в ВУФ-диапазоне. Телескоп построен по оптической схеме Ричи – Кретьена (рис. 4), с двумя ас ферческими многослойными зеркалами и детектором изображений на основе backside ПЗС-матрицы. Телескоп имеет поле зрения 2°, первичное зеркало диаметром DP = 80/20 мм (внешний/внутрен ний диаметр), вторичное зеркало диаметром DS = 40 мм, расстоя ние между вершинами зеркал l = 225 мм, рабочий отрезок = 30 мм (вынос плоскости детектора от первичного зеркала). При такой оптической схеме эффективное фокусное расстояние составляет F = 600 мм, угловой размер одного пиксела равняется 4,6 угл. с.

Рабочий спектральный диапазон телескопа вблизи 304 опре делялся используемыми многослойными зеркалами с покрытием на основе Mo/Si-структуры. В отличие от телескопов высокого разре шения аппаратуры ТЕСИС, в этом канале асферизация зеркал обе спечивалась формой подложки. На ПЗС-матрицу после Al-фильтра был нанесен дополнительно Sc-фильтр для блокировки относитель но мощного излучения солнечного диска в линии He II 304.

Спектрогелиограф mg xii был предназначен для регистрации мо нохроматических изображений солнечной короны в спектральной линии водородоподобного иона Mg XII = 8,42. Излучение этой линии происходит в достаточно горячей (даже по солнечным мер кам) плазме с T 5 млн K. Таким образом, монохроматические 52 С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.

изображения позволяют напрямую наблюдать морфологию и ди намику горячей плазмы, без введения каких-либо дополнительных предположений об ее локализации и структуре.

Спектрогелиограф Mg XII аппаратуры ТЕСИС является улуч шенным аналогом рентгеновского спектрогелиографа спутника «КОРОНАС-Ф», данные которого успешно использовались для ис следования вспышечных процессов [Zhitnik et al., 2003;

Урнов и др., 2007;

Шестов и др., 2010].

Принципиальная оптическая схема спектрогелиографа Mg XII приведена на рис. 5. Входящее излучение проходит предфильтр и попадает на сферически изогнутое кристаллическое зеркало. Па дающее излучение дифрагирует на зеркале по закону Брега – Вуль фа и фокусируется на детекторе. Детектором изображений служит ПЗС-матрица с обратной засветкой. Радиус кривизны зеркала со ставляет Rз = 2710 мм, рабочая длина волны = 8,42, удвоенное межплоскостное расстояние кристаллического зеркала, 2d, равно 8,501. Угол падения в такой схеме составляет 8,2°, при этом угло вой размер одного пиксела составляет 2,1 угл. с.

По условию дифракции Брега – Вульфа, отражение параллель ного пучка происходит не на всей поверхности зеркала, а на отдель ной полосе, положение и размер которой определяются углом паде ния пучка и его спектральным составом. Сферическая аберрация, присущая такой схеме, приводит к тому, что фокусировка линий дублета Mg XII = 8,419 и = 8,426 происходит в разных точках, что дает возможность разрешать дублет и измерять характеристики отдельных его компонент.

рис. 5. Оптическая схема спектрогелиографа Mg XII Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»

Спектрогелиограф ВУФ-диапазона был предназначен для реги страции серии монохроматических изображений Солнца в спек тральных линиях диапазона 280…330. Особенностью этого спектрогелиографа является сочетание в одном приборе спектро скопических и изображающих свойств, что позволило проводить высокоточную диагностику плазмы отдельных компактных структур солнечной короны.

Спектрогелиограф реализован по бесщелевой схеме с дифрак ционной решеткой скользящего падения (рис. 6). Падающее из лучение проходит предфильтр, попадает под малым углом сколь жения (~1,5°) на дифракционную решетку, дифрагирует, попадет на многослойное Mo/Si-зеркало и фокусируется на детекторе — ПЗС-матрице с фильтром. При такой оптической схеме на детек торе строится последовательность монохроматических изображе ний Солнца в отдельных спектральных линиях рабочего диапазона, смещенных вдоль направления дисперсии и сжатых в этом направ лении (см. рис. 6). В спектрогелиографе использовались дифрак ционная решетка с густотой штрихов 3600 линий/мм размерами 80210 мм, многослойное асферическое зеркало с F = 600 мм и све товым диаметром D = 80 мм. Спектрогелиограф предназначен для работы в диапазоне длин волн ~ 280…330, дисперсия составляет 0,0285 /пиксел.

рис. 6. Оптическая схема спектрогелиографа ВУФ-диапазона. Во врезке справа снизу: — угол скольжения (дополняет угол падения до 90°), — угол дифракции 54 С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.

ВУФ-спектрогелиограф аппаратуры ТЕСИС является улуч шенным вариантом спектрогелиографа 280…330, работавшего на спутнике «КОРОНАС-Ф» [Бейгман и др., 2005]. Благодаря ориги нальной оптической схеме спектрогелиографов и программам на блюдений, спектрогелиографами на спутнике «КОРОНАС-Ф» было зарегистрировано более 100 спектров вспышек, в том числе более 30 спектров мощнейших солнечных вспышек балла X. Эти наблюде ния использовались для составления каталогов спектральных линий [Бейгман и др., 2005;

Шестов и др., 2008], определения плотности плазмы и температурного состава в активных областях и вспышках [Шестов и др., 2009;

Шестов и др., 2010].

результаты наблЮдений Первые включения научной аппаратуры ТЕСИС состоялись 20 фев раля 2009 г. (примерно через три недели после запуска), а первые изображения поступили на Землю 26 февраля 2009 г. В течение фев раля-апреля 2009 г. проводились летные испытания ТЕСИС: в этот период вместе с научными программами исследований велись кали бровочные и отладочные работы, а также отрабатывались основные программы наблюдений. С апреля 2009 г. ТЕСИС перешел в стадию реализации натурного эксперимента.

Ниже на примере конкретных наблюдений демонстрируются возможности научной аппаратуры ТЕСИС.

На рис. 7 приведен фрагмент изображения телескопа на 171, зарегистрированного 5 марта 2009 г. в 17:32 UT с временем экспо зиции t = 10 c. На изображении видны структуры, отстоящие друг от друга на расстояние ~3 пиксела.

Временно`е разрешение телескопов определялось системой счи тывания изображений с ПЗС-матриц. При регистрации полного кадра 20482048 пикселов время считывания данных составляло ~8 с. Предусматривалась работа аппаратуры в режиме регистрации выбранной части кадра. При этом временно`е разрешение сокраща лось пропорционально площади считываемого кадра. Такие режимы работы обычно используются во время проведения целевых наблю дений — наблюдений отдельных локальных структур (активных об ластей, корональных дыр, спикул в полярных областях и др.). Были проведены серии «быстрых» наблюдений, с временным разреше нием около 4 с и длительностью одной серии около 1 ч. На рис. 8а приведено изображение Солнца, на котором отмечены две яркие области, наблюдавшиеся 2 октября 2009 г. с большим временны`м разрешением в рамках целевой программы. На рис. 8б приведен вре Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»

менной профиль интенсивностей этих областей, измеренный с 13: до 14:15 UT.

Высокая чувствительность телескопов, обусловленная примене нием зеркал большой апертуры, высокоэффективных многослойных покрытий и детекторов с большой чувствительностью, позволила впервые наблюдать корональные структуры на больших (R 1) рас стояниях от поверхности Солнца. На рис. 9 показано изображение солнечной короны каналом 171, составленное из трех изображе ний с временами экспозиции 1;

3 и 100 с. Изображения были заре гистрированы 5 мая 2009 г. около 01:40 UT. На составном изображе нии виден выброс корональной массы на расстоянии ~1R.

На рис. 10 (слева) приведен пример изображения, зарегистриро ванного спектрогелиографом Mg XII 9 мая 2009 г. в 13:58 с временем экспозиции 100 с. На этом же рисунке (справа) приведено изобра жение, зарегистрированное ВУФ-телескопом 132/171 аппаратуры ТЕСИС в это же время, с временем экспозиции 1 с. На телескопиче ском изображении присутствуют две области с повышенной актив ностью. Излучение линии Mg XII = 8,42 происходит только в од ной области, что свидетельствует о существенном отличии плазмы в ярких областях. Яркая область, присутствующая на изображении Mg XII, содержит большое количество горячей плазмы (T ~ 10 MK).

рис. 7. Фрагмент изображения Солнца, полученного каналом 171 прибо ра ТЕСИС, демонстрирующий пространственное разрешение аппаратуры.

Слева — фрагмент полного изображения Солнца. Выделенная квадратная область приведена справа. На ней отмечены хорошо различимые две яркие точки, отстоящие друг от друга на расстояние 3,6 пикселов (6 угл. с) 56 С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.

рис. 8. Изображение Солнца, полученное каналом 171 аппаратуры ТЕСИС в ходе программы наблюдений 2 октября 2009 г. ярких областей с большим временны`м разрешением. Отмечены исследовавшиеся яркие области 1 и 2 (а);

временны`е профили интенсивности области 1 (линия 1) и области 2 (линия 2) (б) Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»

рис. 9. Составное изображение солнечной короны вблизи 171, созданное на основе трех изображений с экспозициями 1, 3 и 100 с (по данным наблю дений канала 171 прибора ТЕСИС 5 мая 2009 г.) рис. 10. Изображение солнечной короны в линии 8,42, полученное спектрогелиографом Mg XII (слева) и ВУФ-телескопом 132/171 (справа) 58 С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.

Авторы выражают благодарность Институту астрофизики НИЯУ МИФИ, осуществляющему научное руководство проектом КОРОНАС-ФОТОН.

литература [Бейгман и др., 2005] Бейгман И. Л., Боженков С. А., Житник И. А., Ку зин С. В. и др. Солнечные спектры крайнего ВУФ-диапазона, получен ные в ходе эксперимента СПИРИТ на борту ОС «КОРОНАС-Ф». Ката лог линий в области 280-330 // Письма в Астроном. журн. 2005. Т. 31.

№ 1. С. 39–58.

[Вишняков и др., 2009] Вишняков Е. А., Медников К. Н., Рагозин Е. Н., Рева А. А. и др. Измерение спектров отражения многослойных зеркал в мягкой рентгеновской области спектра при помощи широкополосного лазерно-плазменного источника излучения // Квантовая электроника.

2009. Т. 39. № 5. С. 474–480.

[Зуев и др., 2008a] Зуев С. Ю., Клюенков Е. Б., Кожевникова З. Л., Лопа тин А. Я. и др. Многослойные тонкопленочные фильтры экстремально го ультрафиолетового и мягкого рентгеновского диапазонов // Рабочее совещание «Рентгеновская оптика – 2008». Черноголовка, 2008: Сб. тез.

докл. Черноголовка, 2008. С. 47–49.

[Зуев и др., 2008б] Зуев С. Ю., Кузин С. В., Лопатин А. Я., Лучин В. И. и др.

Многослойная оптика для рентгеновской астрофизики в рамках экспе римента ТЕСИС // Рабочее совещание «Рентгеновская оптика – 2008».

Черноголовка, 2008: Сб. тез. докл. Черноголовка, 2008. С. 50–52.

[Кузин и др., 2008] Кузин С. В., Шестов С. В., Перцов А. А., Рева А. А. и др.

Спектральные калибровки фильтров и детекторов солнечного телеско па на диапазон 13,2 нм проекта ТЕСИС // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. № 7. C. 19–23.

[Кузин и др., 2009] Кузин С. В., Шестов С. В., Перцов А. А., Рева А. А. и др.

Калибровки рентгеновского спектрогелиографа на длину волны 0,84 нм проекта ТЕСИС // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и ней тронные исследования. 2009. № 7. С. 51–54.

[Ораевский, Собельман, 2002] Ораевский В. Н., Собельман И. И. Комплекс ные исследования активности Солнца на спутнике «КОРОНАС-Ф»

// Письма в Астроном. журн. 2002. Т. 28. № 6. С. 457–467.

[Собельман и др., 1996] Собельман И. И., Житник И. А., Игнатьев А. П., Корнеев В. В. и др. Рентгеновская спектроскопия Солнца в обла сти 0,84…30,4 нм в экспериментах ТЕРЕК-К и РЕС-К на спутнике «КОРОНАС-И» // Астроном. журн. 1996. № 7. С. 604–619.

[Урнов и др., 2007] Урнов А. М., Шестов С. В., Богачев С. А., Горяев Ф. Ф. и др.

О пространственно-временных характеристиках и механизмах образо вания мягкого рентгеновского излучения в солнечной короне // Письма в Астроном. журн. 2007. Т. 33. № 6. С. 446–462.

Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»

[Шестов и др., 2008] Шестов С. В., Боженков С. А., Житник И. А., Кузин С. В.

и др. Солнечные спектры крайнего ВУФ-диапазона, полученные в ходе эксперимента СПИРИТ на борту ОС «КОРОНАС-Ф». Каталог ли ний в области 176…207 // Письма в Астроном. журн. 2008. Т. 34. № 1.

С. 38–57.

[Шестов и др., 2009] Шестов С. В., Урнов А. М., Кузин С. В., Житник И. А.

и др. Диагностика электронной плотности плазмы структур солнечной короны по линиям ионов Fe XI – Fe XIII диапазона 176…207 в экспе рименте СПИРИТ/«КОРОНАС-Ф» // Письма в Астроном. журн. 2009.

Т. 35. № 1. С. 50–62.

[Шестов и др., 2010] Шестов С. В., Кузин С. В., Урнов А. М., Ульянов А. С. и др.

Диагностика температуры солнечной плазмы во вспышках и активных областях по линиям спектрального диапазона 280…330 в эксперимен те СПИРИТ/ «КОРОНАС-Ф» // Письма в Астроном. журн. 2010. Т. 36.

№ 1. С. 46–60.

[Kotov, 2004] Kotov Yu. D. Satellite project CORONAS-PHOTON for study of so lar hard radiation // 35th COSPAR scientific assembly. Held 18–25 July, 2004.

Paris, France. P. 1283.

[Sylwester et al., 2008] Sylwester J., Kuzin S. V., Kotov Yu. D., Farnik F. Reale F.

SphinX: A Fast Solar Photometer in X-rays // J. Astrophysics and Astronomy.

2008. V. 29. P. 339–343.

[Zhitnik et al., 2003] Zhitnik I. A., Bugaenko O. I., Ignat ’ev A. P., Krutov V. V. et al.

// Mon. Not. R. Astron. Soc. 2003. V. 338. P. 67–71.

TeSiS expeRimenT aboaRd coRonaS-phoTon SaTelliTe S. V. Kuzin 1, i. a. Zhitnik 1, S. V. Shestov 1, S. a. bogachev 1, o. i. bugaenko 2, a. p. ignatiev 1, a. a. perzov 1, a. S. ulianov 1, a. a. Reva 1, V. a. Slemzin 1, n. K. Suhodrev 1, Yu. S. ivanov 1, a. l. goncharov 1, a. V. mitrofanov 1, S. g. popova 1, T. a. Shergina 1, V. a. Soloviev 1, S. n. oparin 1, m. S. Zykov 1, V. i. luchin 3, V. n. polkovnikov 3, n. n. Salaschenko 3, n. n. Tsibin Establishment of Russian Academy of Sciences P. N. Lebedev Physical Institute of RAS (FIAN), Moscow P. K. Sternberg State Astronomical Institute MSU, Moscow Institute for Physics of Microstructures of the Russian Academy of Sciences, Moscow In January 2009 Russian scientific satellite CORONAS-Photon has been successfully launched. Among the scientific instrumentation 60 С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.

there was a complex of instrumentation TESIS. TESIS incorporates telescopes and spectroheliographs for the X-ray and EUV observa tion of solar corona with high spatial, spectral and temporal resolu tions for the heights from transition region up to 3 solar radii. In the present paper main characteristics and results of the observations are given.

Keywords: solar corona, extreme ultraviolet, soft X-ray, EUV emission of the solar corona, space-born instrumentation.

Kuzin Sergey Vadimovich — head of laboratory, PhD, e-mail: kuzin@sci.lebedev.ru.

Zhitnik igor alexandrovich — chief researcher, PhD, e-mail: zhitnik@sci.lebedev.ru.

Shestov Sergey Viktorovich — associate researcher, e-mail: sshestov@dgap.mipt.ru.

bogachev Sergey alexandrovich — senior researcher, PhD, e-mail: bogachev@sci.

lebedev.ru.

bugaenko oleg illarionovich — senior designer, e-mail: bugaenko@sci.lebedev.ru.

ignatiev alexander petrovich — senior researcher, PhD, e-mail: ignatyev@sci.

lebedev.ru.

perzov andrey alexandrovich — senior researcher, PhD, e-mail: perzov@sci.

lebedev.ru.

ulianov artem Sergeevich — student, e-mail: ikiru@inbox.ru.

Reva anton alexandrovich — student, e-mail: antonreva@gmail.com.

Slemzin Vladimir alexeevich — chief researcher, PhD, e-mail: slem@sci.lebedev.ru.

Suhodrev nina Kuzminichna — senior researcher, PhD, e-mail: suhodrev@sci.

lebedev.ru.

ivanov Yuri Sergeevich — senior designer, e-mail: yivanov@sci.lebedev.ru.

goncharov alexander leonidovich — engineer.

mitrofanov alexander Viktorovich — senior researcher, PhD, e-mail: mitrofa@sci.

lebedev.ru.

popova Svetlana gennadievna — engineer, e-mail: pgss@mail.ru.

Shergina Tatyana alexeevna — technician.

Soloviev Vladimir alexeevich — leading electronics.

oparin Sergey nikolaevich — researcher, e-mail: oparin@sci.lebedev.ru.

Zykov mihail Sergeevich — postgraduate student, e-mail: zmsmihail@gmail.com.

luchin Valerii ivanovich — chief researcher, PhD.

polkovnikov Vladimir nikolaevich — junior researcher, e-mail: kiniokop@rambler.ru.

Salaschenko nikolai nikolaevich — head of department, PhD, corresponding member of RAS, e-mail: salashch@ipm.sci-nnov.ru.

Tsibin nikolai nikolaevich — junior researcher, e-mail: tsybinl@mail.ru.

УДК 520.6.05, 523.9-739, 004. региСтрация и обработКа изображений В эКСПерименте теСиС на СПутниКе «КоронаС-Фотон»

С. В. Кузин, С. В. Шестов, С. а. богачев, а. а. Перцов, а. С. ульянов, а. а. рева Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), Москва В январе 2009 г. произведен успешный запуск космического аппарата «КОРОНАС-Фотон». В его состав входил комплекс аппаратуры ТЕСИС, предназначенный для получения изо бражений и спектрогелиограмм солнечной короны в мягком рентгеновском и вакуумном ультрафиолетовом диапазонах спектра. Приводится описание системы электроники аппара туры ТЕСИС, обсуждаются принципы составления программ управления аппаратурой, описываются особенности реги стрируемых изображений и алгоритмы для их первичной об работки.

Настоящая работа выполнена при частичной под держке грантов РФФИ (проекты № 08-02-01301-а и 08-02 13633-офи_ц), Программы фундаментальных исследований Президиума РАН (№ 16, часть 3), Программы фундаменталь ных исследований Отделения физических наук РАН «Плаз менные процессы в Солнечной системе», гранта № (проект SOTERIA, www.soteria.eu) седьмой рамочной про граммы Европейского Союза (FP07/2007-2013).

Ключевые слова: корона Солнца, вакуумный ультрафио лет, мягкий рентген, коротковолновое излучение солнечной короны, космические телескопы, изображения короны Солнца.

Введение Исследование солнечной короны чрезвычайно важно с точки зре ния решения фундаментальных задач физики Солнца и астрофизики.

Кузин Сергей Вадимович — заведующий лабораторией, доктор физико-мате матических наук. E-mail: kuzin@sci.lebedev.ru Шестов Сергей Викторович — старший научный сотрудник, e-mail: sshestov@ gmail.ru.

богачев Сергей александрович — ведущий научный сотрудник, доктор физи ко-математических наук, e-mail: bogachev@sci.lebedev.ru.

Перцов андрей александрович — старший научный сотрудник, кандидат фи зико-математических наук, e-mail: perzov@sci.lebedev.ru.

ульянов артем Сергеевич — студент, e-mail: ikiru@inbox.ru.

рева антон александрович — студент, e-mail: antonreva@gmail.com.

62 С. В. Кузин, С. В. Шестов, С. А. Богачев, А. А. Перцов, А. С. Ульянов, А. А. Рева Ключевые проблемы — нагрев короны, механизмы солнечных вспышек, формирование и ускорение солнечного ветра — до сих пор не решены. Кроме того, межпланетная среда в основном фор мируется за счет процессов, происходящих в солнечной короне, по этому их изучение важно и с прикладной точки зрения. Солнечные вспышки и сопровождающие их повышенные потоки ионизирую щего излучения и заряженных частиц, выбросы коронального веще ства, потоки солнечного ветра — все эти явления обусловливают космическую погоду в околоземном пространстве.

Для решения этих задач в начале 1990-х гг. была сформирова на программа исследования солнечной активности с борта спут ников «КОРОНАС». В 1994 г. был выведен на орбиту первый спутник этой серии — «КОРОНАС-И» [Собельман и др., 1996], а в 2001 г. — «КОРОНАС-Ф» [Ораевский, Собельман, 2002]. 30 ян варя 2009 г. на орбиту Земли был выведен третий спутник програм мы КОРОНАС — космический аппарат «КОРОНАС-Фотон» [Kotov, 2004]. Для космического аппарата «КОРОНАС-Фотон» в ФИАН был разработан новый комплекс космических телескопов и спек трометров ТЕСИС [Кузин и др., 2010]. В аппаратуре ТЕСИС ре ализовывался апробированный на предыдущих спутниках серии «КОРОНАС» метод изображающей спектроскопии Солнца, кото рый заключался в регистрации полного диска Солнца с высоким пространственным, спектральным и временны`м разрешением.

За время проведения эксперимента ТЕСИС был получен огром ный наблюдательный материал — изображения и спектрогелио граммы Солнца в мягкой рентгеновской (МР) и вакуумной ультра фиолетовой (ВУФ) областях спектра. Получены уникальные данные о состоянии короны Солнца и ее активных процессах в период глу бокого минимума солнечной активности — весна-осень 2009 г.

Подробное описание аппаратуры ТЕСИС и основные результа ты наблюдений приведены в статье Кузин С. В. и др. «Эксперимент ТЕСИС космического аппарата „КОРОНАС-Фотон”» настоящего сборника. В данной статье рассматриваются система электроники аппаратуры, принципы составления программ управления аппа ратурой, режимы работы и описываются особенности изображе ний, регистрировавшихся телескопами и спектрогелиографами ТЕСИС.

аППаратура теСиС Комплекс телескопов и спектрогелиографов ТЕСИС [Кузин и др., 2010, 2011] разработан в ФИАН для спутника «КОРОНАС-Фотон».

Регистрация и обработка изображений в эксперименте ТЕСИС на спутнике «КОРОНАС-Фотон»

В задачи эксперимента ТЕСИС входили: исследование плазмы солнечной короны — ее мелкомасштабной структуры, динамики, физических условий в плазме (температуры, плотности);

изучение локальных и глобальных явлений и структур: вспышек, горячих об лаков, активных областей, выбросов корональной массы и т. д.

Комплекс приборов ТЕСИС состоял из телескопов и изобража ющих спектрографов — спектрогелиографов, и позволил прово дить наблюдения солнечной короны различных типов: наблюдать мелкомасштабную структуру (с пространственным разрешением до 1,7 угл. с) плазмы, динамику с временны`м (до 1 с) разрешением, крупномасштабные структуры на больших расстояниях от поверх ности Солнца (до трех радиусов), проводить наблюдения отдельных структур с высоким спектральным разрешением (до 0,01 ) в широ ком спектральном диапазоне и наблюдения других типов.

В состав аппаратуры входили шесть независимых приборов (ка налов регистрации), предназначенных для телескопических и спек троскопических наблюдений солнечной короны в МР- и ВУФ-диа пазонах спектра.

Конструктивно аппаратура ТЕСИС состояла из трех блоков: блока датчиков (БД), блока электроники (БЭ) и блока оптических датчиков (ОД). Блок датчиков являлся основным блоком, содержащим научную аппаратуру для регистрации солнечных изображений и спектров. Блок электроники включал бортовой компьютер и электронные интер фейсы для подключения БД и ОД, а также связи со служебными си стемами спутника. Блок оптических датчиков представлял собой два соосных противонаправленных телескопа, с осью визирования, пер пендикулярной оси на Солнце, и служил для определения текущей ориентации аппаратуры ТЕСИС и спутника «КОРОНАС-Фотон».

Управление комплексом приборов ТЕСИС осуществлялось по программам, передаваемым с Земли. Программы управления со держали последовательность команд — указаний зарегистрировать кадр в том или ином канале регистрации ТЕСИС в заданное время с заданным временем экспозиции. Зарегистрированные изображе ния упаковывались в файлы телеметрии и передавались на Землю во время сеансов связи. После поступления наблюдательных данных в ФИАН файлы телеметрии распаковывались и изображения сохра нялись в базе данных эксперимента ТЕСИС. Каждый файл содер жал одно изображение. Такие файлы называются файлами нулевого уровня — кроме распаковки они не подвергаются никакой допол нительной обработке. К первичной обработке можно отнести учет фона на изображениях, коррекцию функции белого поля, точное определение сетки солнечных координат и др.

64 С. В. Кузин, С. В. Шестов, С. А. Богачев, А. А. Перцов, А. С. Ульянов, А. А. Рева СиСтема элеКтрониКи аППаратуры теСиС Аппаратура ТЕСИС включала комплексную систему электроники, куда входили бортовой компьютер, контроллеры детекторов и дви гателей, интерфейсы для коммутации со служебными системами спутника, вторичные источники питания и др. Бортовой компью тер, основными элементами которого являются центральный про цессор, оперативная память и интерфейсы коммутации, располагал ся в БЭ ТЕСИС и находился в гермоотсеке спутника. Блок датчиков и оптические датчики аппаратуры ТЕСИС содержали детекторы изображений вместе с контроллерами, контроллеры приводов и дат чики температуры.

Бортовой компьютер ТЕСИС предназначался для управления каналами регистрации, механикой и приводами ТЕСИС, обра ботки, временного хранения и передачи на ССРНИ (Система сбо ра и регистрации научной информации) полученной информации.

В качестве его основного процессора применялся цифровой сиг нальный процессор (DSP) ADSP2185 фирмы AnalogDevices с бы стродействием 64 Mips. Однократно программируемое ПЗУ емко стью 2 КБ содержало так называемый BOIS — минимальный набор системного программного обеспечения (ПО), предназначенного для взаимодействия с бортовыми системами. Для программ оператив ного управления в аппаратуре ТЕСИС использовалось многократ но программируемое ПЗУ емкостью 128 КБ. Большой объем ПЗУ позволял хранить в памяти четыре копии программного обеспече ния или даже четыре различных экземпляра рабочих программ, ко торые могут быть выбраны по команде с Земли. Основная память ТЕСИС, объемом 256 МБ, предназначена для приема информации с ПЗС-матриц и детекторов канала «Сфинкс» и обработки получен ной информации, а также может служить буфером при передаче на копленных данных в ССРНИ.

Внутренняя логика (реализующая взаимодействие с бортовы ми системами, контроллеры ПЗС, контроллеры приводов, кон троллер памяти) выполнена на однократно программируемых CDLP 54SX32A фирмы Actel.

Связь между бортовым компьютером ТЕСИС и периферией, расположенной в БД и ОД, осуществлялась по последовательным каналам связи с пропускной способностью 8 МБ/с. Быстродействие центрального процессора ТЕСИС и использованная архитектура по зволяли работать одновременно и независимо всем периферийным устройствам (детекторам, двигателям и др.).

Регистрация и обработка изображений в эксперименте ТЕСИС на спутнике «КОРОНАС-Фотон»

Бортовое программное обеспечение было предназначено для обработки и сжатия изображений и служебной информации, а так же их упаковки для последующей передачи в служебные системы спутника.

уПраВление Прибором теСиС Управление прибором ТЕСИС осуществлялось командами, посту пающими с Земли на борт во время сеансов связи. Передаваемые в прибор команды организовывались в виде последовательности, которая образовывала законченную программу — циклограмму. От дельно взятая команда представляла собой набор байтов (число от до 255), исполняемых последовательно. В зависимости от назначе ния команды, она могла иметь произвольную длину. В целом алфа вит команд ТЕСИС был организован так, чтобы наиболее употре бляемые команды состояли всего из 1 байта. Так, для формирования изображения в канале 304 с экспозицией 1 с достаточно было пе редать в прибор одно шестнадцатеричное число ‘4A’. Это позволяло значительно сократить объем команд управления.

Переданная циклограмма могла быть исполнена сразу после по ступления с Земли либо передана в прибор с задержкой в несколько часов и даже дней. Буфером, в котором циклограмма хранилась до выдачи в прибор, служила бортовая управляющая машина спутника.

На практике основным режимом для научных программ наблюде ния являлась выдача циклограммы в заданное время. Режим прямой передачи команд в прибор применялся при перепрограммировании прибора. Поскольку бортовая машина выдавала в ТЕСИС в задан ное время сразу всю хранящуюся в памяти циклограмму, возникала проблема организации команд по времени внутри самого прибора.

Для этого в ТЕСИС использовались команды разметки времени:

«исполнить следующую команду через заданное время после преды дущей» и «исполнить следующую команду в заданное время». Вре мена ожидания в командах первого типа — в диапазоне от 0,1 с до 255 мин;

время исполнения в командах второго типа — в пределах одного месяца. Также предусмотрены, но практически редко ис пользовались, команды «исполнить следующую команду через за данное время после сигнала СВЕТ» и «исполнить следующую ко манду через заданное время после сигнала ВШИР». Сигнал СВЕТ поступал в прибор при выходе спутника на освещенный участок ор биты, а сигнал ВШИР — при заходе спутника в радиационные пояса Земли. В целом, существующий набор разметки по времени позво лял сформировать любой график исполнения команд.

66 С. В. Кузин, С. В. Шестов, С. А. Богачев, А. А. Перцов, А. С. Ульянов, А. А. Рева Кроме основных управляющих команд, в алфавит команд ТЕСИС также входили команды организации циклов (LOOP, ENDLOOP). Число повторов цикла — от 1 до 255, а допустимый уровень вложенности циклов друг в друга — 8. Внутренняя память ТЕСИС позволяла хранить на борту до 128 циклограмм объемом до 256 байт каждая. Циклограммы вызывались специальной командой из алфавита ТЕСИС, после чего исполнялись таким же образом, что и программы, поступившие с Земли. На практике было задействова но около 30 готовых бортовых циклограмм.

Частота управления ТЕСИС составляла в среднем один сеанс связи за двое суток. Так, за первый год работы прибора ТЕСИС — с 20 февраля по 1 декабря 2009 г. — было использовано 165 сеансов связи, в которых на борт было передано около 700 программ управ ления. В целом, потребность комплекса телескопов в управлении можно оценить как весьма высокую.

По состоянию на январь 2010 г. алфавит ТЕСИС включал 71 ко манду, позволяющую контролировать все режимы работы аппарату ры. Из них 68 команд присутствовали на момент запуска, а три было добавлено в ходе первого года эксперимента.

режимы работы теСиС Режим работы аппаратуры ТЕСИС определялся следующими основ ными факторами: выбранные каналы регистрации изображений, ча стота получения изображений, формат изображения и метод сжатия изображения. Очевидно, что оптимальным является режим работы прибора, когда все его каналы работают с максимальной частотой и получают изображения полного формата с наилучшим простран ственным разрешением. Однако такая идеализированная ситуация не возможна на практике, прежде всего из-за ограничений на телеметрию.

С точки зрения выбора каналов регистрации изображений ре жимы работы ТЕСИС делились на синоптические и научные. В си ноптическом режиме работы задействовалось максимальное число каналов, но с ограниченной частотой съемки. С учетом ограничений на ежедневный объем телеметрии (~0,5 ГБ), временное разреше ние синоптических программ ТЕСИС составляло около 5…10 мин.

Целью синоптических программ являлся мониторинг атмосферы Солнца (главным образом, вспышечных и взрывных процессов).

Альтернативой синоптическим являлись целевые научные про граммы наблюдений, когда основное наблюдение осуществлялось в 1–2 каналах ТЕСИС. Выбор каналов зависел от конкретной на учной задачи. В частности, в программе исследования высокотем Регистрация и обработка изображений в эксперименте ТЕСИС на спутнике «КОРОНАС-Фотон»

пературной плазмы были задействованы каналы ТЕСИС Fe XXIII 132 и Mg XII 8,42, изображение в которых формировалось при температурах плазмы 5…20 MK. Использование ограниченного чис ла каналов позволяет улучшить временно`е разрешение наблюдений  до 1…5 мин.

В течение первого года работы прибора ТЕСИС около 40 % телеметрии было отдано под синоптические наблюдения, а около 60 % — под целевые научные исследования.

С точки зрения частоты получения изображений, режимы ТЕСИС делились на обычные и режимы с высоким временны`м раз решением. Под высоким разрешением понималась частота лучше 1 мин. Серии с высоким временны`м разрешением, относимые к на учным программам, применялись для изучения быстрых нестацио нарных процессов в короне Солнца. В течение 2009 г. под них было вы делено около 10 % объема телеметрии, в том числе около 2 % под серии сверхвысокого разрешения с частотой получения кадров быстрее 10 с.

С точки зрения формата изображения, в ходе эксперимента ТЕСИС применялись два основных режима: получения полного ка дра и частичного кадра. Во втором случае, благодаря уменьшению объема получаемых изображений, удавалось существенно увеличить количество регистрируемых кадров и уменьшить время, требуемое для регистрации одного кадра.

Режим наблюдения полного диска Солнца являлся основным режимом синоптических программ наблюдения, а также применял ся при исследовании выбросов массы, гигантских эруптивных про туберанцев и других явлений, имеющих глобальный характер. Ре жим наблюдения частичного кадра позволял значительно увеличить число получаемых изображений (в рамках заданного лимита теле метрии), поэтому активно применялся в целевых научных програм мах. Кроме того, в режиме частичного кадра значительно ускорялось время обработки изображения, что позволяло достигать высокого и сверхвысокого временно`го разрешения. Основные цели исследова ния в этом режиме ТЕСИС — объекты и явления на Солнце, размер которых порядка и меньше одного радиуса Солнца: солнечные ак тивные области и группы областей, вспышки, яркие точки, системы корональных петель, спикулы и высокотемпературные источники излучения.

методы региСтрации изображений Как указывалось выше, во время подготовки эксперимента ТЕСИС в бортовое программное обеспечение аппаратуры было заложено два 68 С. В. Кузин, С. В. Шестов, С. А. Богачев, А. А. Перцов, А. С. Ульянов, А. А. Рева метода регистрации изображений: регистрация полного кадра и ча стичного кадра. Оба варианта предполагали использование входных шторок телескопов. В этих режимах при регистрации выполнялось открытие шторок, затем происходила чистка матрицы, проводилась нужная экспозиция, шторки закрывались и изображение считыва лось с ПЗС-матрицы.


Основные особенности регистрации полного кадра заключа лись в следующем: во время чистки изображение построчно сдви галось вверх в сторону выходной строки. Вновь образующиеся ниж ние строки не имели полезного светового сигнала (за исключением так называемого смаза, рассматриваемого далее) — т. е. очищались.

При считывании данных с ПЗС-матрицы изображение построчно сдвигалось в выходную строку, откуда каждая строка сдвигалась по пиксельно в выходной регистр, где происходила оцифровка сигнала (рис. 1а). Скорость сдвига строки составляла 150 мкс, время сдвига и чтения одного пиксела — 2 мкс.

Регистрация частичного кадра [X0:X1, Y0:Y1] (рис. 1б) выпол нялась, в целом, аналогично полному кадру, отличие заключалось в том, что не происходило считывания данных из строк матрицы с номерами менее Y0 и более Y1. Так как построчный сдвиг выпол нялся существенно быстрее попиксельного считывания (150 мкс при сдвиге строки против 150+4096 мкс при чтении строки), реги страция частичного кадра обычно проходила существенно быстрее полного за счет отбрасывания «ненужных» строк.

а б в рис. 1. Методы регистрации изображений аппаратурой ТЕСИС: а — пол ный кадр целиком;

б — частичный кадр;

в — полный кадр по частям Регистрация и обработка изображений в эксперименте ТЕСИС на спутнике «КОРОНАС-Фотон»

В ходе проведения эксперимента ТЕСИС в целях сохранения ре сурса входных шторок был предложен и отработан метод регистра ции полных изображений по частям. Изображение Солнца перефо кусировкой зеркала сдвигалось к дальнему относительно выходной строки краю матрицы (рис. 1в). При такой конфигурации зона ма трицы, прилегающая к выходной строке, практически не засвечива лась излучением Солнца и могла использоваться как буфер считы вания. Входные шторки аппаратуры были постоянно открыты. При регистрации полного кадра по частям последовательно проводились экспозиции и регистрировались отдельные участки матрицы, обо значенные на рис. 1в прямоугольниками. При считывании отдельно взятой прямоугольной области она сначала быстро сдвигалась вверх в область временного хранения и затем медленно считывалось изо бражение этой области (алгоритм полностью соответствует частич ному кадру). Зарегистрированные таким образом изображения по сле передачи на Землю сшивались. В режиме регистрации полных кадров по частям аппаратура ТЕСИС работала с июля 2009 г. Обла сти считывания для последующего совмещения полученных частей перенакладывались между собой.

оСобенноСти изображений теСиС Всем изображениям, получаемым ТЕСИС, присущ ряд артефактов.

Сюда входят темновой ток, белое поле, смаз (связанный с особенно стью работы входных шторок и ПЗС-матриц аппаратуры), повреж дения кадра, вызванные попаданием космических частиц. Недоста точная точность стабилизации спутника приводила также к тому, что отдельно взятые изображения Солнца имели случайное смеще ние и поворот по отношению к ПЗС-матрице. Многие из таких не достатков можно было устранить методами последующей компью терной обработки изображений.

Рассмотрим особенности изображений более подробно.

темновой ток матрицы вызван генерацией электрон-дырочных пар в ячейках матрицы при отсутствии падающего излучения. Тем новой ток экспоненциально увеличивался с ростом температуры ПЗС-матрицы, поэтому часто ПЗС-матрицы во время работы ох лаждались. ПЗС-матрицы аппаратуры ТЕСИС оснащены пельтье холодильниками. Во время проведения эксперимента ТЕСИС было установлено, что темновой ток с хорошей точностью устраняется при последующей наземной обработке изображений.

белым полем называется отклик ПЗС-матрицы на «единичный»

сигнал — пучок света с единичной интенсивностью по всему сечению 70 С. В. Кузин, С. В. Шестов, С. А. Богачев, А. А. Перцов, А. С. Ульянов, А. А. Рева и покрывающий всю ПЗС-матрицу. Отличие белого поля от едини цы может быть вызвано неравномерностью как чувствительности ПЗС-матрицы по площади, так и нанесенных фильтров.

Для определения функций белого поля в каналах аппаратуры ТЕСИС были проведены специальные программы наблюдений, в результате которых составлены соответствующие корректирующие функции. Рассчитанные функции белого поля для телескопических каналов аппаратуры ТЕСИС приведены на рис. 2. Сравнение исход ного изображения Солнца телескопа на 171 и этого же изображе ния, со скорректированным белым полем, приведено на рис. 3.

Смаз в изображениях ТЕСИС вызван особенностью работы си стемы считывания изображений с ПЗС-матриц и работы входных шторок. Регистрация изображений на матрицу происходила следу ющим образом:

• открытие шторок;

• «чистка» матрицы — последовательный сдвиг строк к выход ной строке со скоростью 150 мкс/стр;

• экспонирование изображения;

• закрытие шторок;

• чтение изображения.

Так как чистка матрицы происходила после открытия шторок, то во время чистки по вновь получаемому изображению как бы «проводилось» сфокусированное изображение Солнца (рис. 4.). Эф фективная экспозиция при такой чистке матрицы (до 0,3 с) обычно меньше, чем время реальной экспозиции (1…10 с). Это позволило разработать алгоритмы для удаления смаза по рабочему изображению.

рис. 2. Функции белого поля для телескопических каналов аппаратуры ТЕСИС. Сверху над изображениями приведен профиль интенсивности по центральной строке Регистрация и обработка изображений в эксперименте ТЕСИС на спутнике «КОРОНАС-Фотон»

рис. 3. Пример эффекта белого поля на изображении канала 171 : слева — белое поле не скорректировано;

справа — скорректировано рис. 4. Механизм формирования смаза на изображениях во время «чистки»

рассеянный свет проявлялся в виде ярких полос по краям ПЗС-матрицы. Такая засветка объясняется меньшей толщиной фо кальных рентгеновских фильтров по краям ПЗС-матрицы (что обу словлено технологией нанесения фильтров). Проявление рассеянного 72 С. В. Кузин, С. В. Шестов, С. А. Богачев, А. А. Перцов, А. С. Ульянов, А. А. Рева света на краях матрицы не вносило существенного вклада в сигнал, создаваемый излучением короны Солнца.

Для обработки файлов нулевого уровня (как первичной, так и последующей научной) в работе использовался высокоуровне вый язык программирования IDL. Разработан пакет программ TES_PREP, реализующий в автоматическом режиме первичную об работку кадров — удаление темнового тока, смаза, коррекция белого поля, определение центра Солнца на изображениях и пр.

Сравнение кадра нулевого уровня и кадра после первичной об работки программами TES_PREP для канала 171 приведено на рис. 5. На рисунке сверху слева приведен исходный кадр (логариф мическая шкала интенсивностей, ярко выражен слабый сигнал), отмечено место смаза, темнового сигнала. Сверху справа на рис. приведен этот же кадр со скорректированными темновым током, рис. 5. Сравнение кадра нулевого уровня и кадра после первичной обработки (канал 171 ) Регистрация и обработка изображений в эксперименте ТЕСИС на спутнике «КОРОНАС-Фотон»

смазом и белым полем, шкала интенсивностей такая же. Пунктиром на изображениях отмечена строка, распределение интенсивности вдоль которой приведено под изображениями.

заключение В рамках эксперимента ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон» в течение 2009 г. зарегистрирован огромный наблюдательный материал, содержащий уникальную информа цию о состоянии короны Солнца и процессах солнечной активно сти во время глубочайшего минимума солнечной активности. База изображений ТЕСИС нулевого уровня представляет собой набор FITS-файлов. В базе находится около 300 тысяч изображений раз ных каналов, большинство из которых — телескопические каналы.

Возможности аппаратуры ТЕСИС позволили получить ряд уни кальных данных — например, проведены целевые программы на блюдений с рекордным на сегодняшний день временны`м разреше нием 4 с.

Для обработки файлов нулевого уровня (как первичной, так и последующей научной) использовался высокоуровневый язык программирования IDL. Для первичной обработки на основе при веденных выше алгоритмов разработан пакет программ TES_PREP.

К настоящему времени большинство кадров прошли первичную об работку (определены солнечные координаты, устранен фон, смаз, проведена коррекция белого поля, «сшиты» кадры, зарегистриро ванные по частям). В базе обработанных изображений содержится около 50 тыс. файлов. Ведется работа по открытию свободного до ступа через Интернет к этой базе изображений.

литература [Кузин и др., 2010] Кузин С. В., Богачев С. А., Житник И. А., Шестов С. В.

и др. Эксперимент ТЕСИС по рентгеновской изображающей спектро скопии Солнца на спутнике «КОРОНАС-Фотон» // Изв. РАН. Сер. физ.

2010. Т. 74. № 1. С. 39–43.

[Кузин и др., 2011] Кузин С. В., Житник И. А., Шестов С. В., Богачев С. А.

и др. Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»

// Астроном. вестн. 2011. Т. 45. № 2. С. 166–177.

[Ораевский, Собельман, 2002] Ораевский В. Н., Собельман И. И. Комплекс ные исследования активности Солнца на спутнике «КОРОНАС-Ф»

// Письма в Астроном. журн. 2002. Т. 28. С. 457.

[Собельман и др., 1996] Собельман И. И., Житник И. А., Игнатьев А. П., Корнеев В. В. и др. Рентгеновская спектроскопия Солнца в диапазоне 74 С. В. Кузин, С. В. Шестов, С. А. Богачев, А. А. Перцов, А. С. Ульянов, А. А. Рева 0,8…30,4 нм в экспериментах ТЕРЕК и РЕС на спутнике «КОРОНАС-И»


// Письма в Астроном. журн. 1996. Т. 22. № 7. С. 604.

[Kotov, 2004] Kotov Yu. D. Satellite Project CORONAS-PHOTON for study of Solar Hard Radiation // 35th COSPAR Scientific Assembly. Held 18–25 July, 2004. Paris, France. P. 1283.

RegiSTRaTion and daTa pRoceSSing in expeRimenT TeSiS on The SaTelliTe coRonaS-phoTon S. V. Kuzin, S. V. Shestov, S. a. bogachev, a. a. perzov, a. S. ulianov, a. a. Reva Establishment of Russian Academy of Sciences P. N. Lebedev Physical Institute of RAS (FIAN), Moscow In January 2009 Russian scientific satellite CORONAS-Photon has been successfully launched. Among the scientific instrumentation of the satellite there was a complex of instrumentation TESIS, which was intended for registration of images and spectroheliogramms in X-ray and EUV spectral range. In the present paper we adduce description of electronic system of TESIS apparatus, discuss prin ciples of control programs of the instrument and describe peculiari ties of registered images and algorithm for their processing.

Keywords: Solar corona, extreme ultraviolet, soft X-ray, EUV emission of the solar corona, space-born instrumentation, Solar co rona images.

Kuzin Sergey Vadimovich — head of laboratory, PhD, e-mail: kuzin@sci.lebedev.ru.

Shestov Sergey Viktorovich — associate researcher, e-mail: sshestov@dgap.mipt.ru.

bogachev Sergey alexandrovich — senior researcher, PhD, e-mail: bogachev@ sci.lebedev.ru.

perzov andrey alexandrovich — senior researcher, PhD, e-mail: perzov@sci.

lebedev.ru.

ulianov artem Sergeevich — student, e-mail: ikiru@inbox.ru.

Reva anton alexandrovich — student, e-mail: antonreva@gmail.com.

УДК 523.9-739- ПоиСК Поляризации рентгеноВСКого излучения Во ВСПыШКе 26.10.2009 г.

По данным Прибора «ПингВин-м»

Ю. д. Котов, о. н. умнова Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) Федерального агентства по образованию РФ, Институт астрофизики (ИАФ), Москва За время полета прибором «Пингвин-М» на спутнике «КОРОНАС-Фотон» наблюдались 172 солнечные вспышки, в том числе 13 вспышек класса С. 26 октября 2009 г. прибо рами спутника была зарегистрирована вспышка класса С1.3, в которой помимо мягкой компоненты наблюдалось жёст кое рентгеновское излучение. В работе представлен прин цип определения степени линейной поляризации рентге новского излучения солнечных вспышек по данным прибора «Пингвин-М», основанный на восстановлении степени поля ризации по азимутальной асимметрии комптоновского рассе яния в случае поляризации падающего излучения. Получены степени анизотропии, линейной поляризации и положение плоскости поляризации рентгеновского излучения для ука занной вспышки.

Ключевые слова: солнечная вспышка, рентгеновское из лучение, комптоновское рассеяние, поляризация, азимуталь ная асимметрия, анизотропия, поляриметр, «Пингвин-М», «КОРОНАС-Фотон».

ПоСтаноВКа задачи В рамках исследования Солнца и солнечно-земных связей важной задачей является раскрытие механизмов ускорения частиц и гене рации жесткого рентгеновского излучения. Надежным источником информации об электронах, ускоренных в солнечных вспышках, яв ляется жесткое излучение. Исследуя спектральный состав излучения, можно определить энергетическое распределение электронов [Сомов, Сыроватский, 1976], а направленность и поляризация излучения дает Котов Юрий дмитриевич — директор, кандидат физико-математических наук, e-mail: YDKotov@mephi.ru.

умнова ольга николаевна — инженер, e-mail: olga_umnova@list.ru.

76 Ю. Д. Котов, О. Н. Умнова возможность судить об угловом распределении электронов [Кель нер, Скрынников, 1985].

Измерения параметров линейной поляризации рентгеновского излучения солнечных вспышек проводились в ряде экспериментов [Tindo et al., 1970;

Богомолов и др., 2003], первые спутниковые по ляризационные измерения рентгеновского вспышечного излучения были выполнены еще в начале 1970-х гг. на спутниках серии «Ин теркомос» [Сомов, Тиндо, 1978], но до сих пор существует явный де фицит достоверных результатов в этой области.

В связи с актуальностью задачи исследования поляризации жесткого рентгеновского излучения солнечных вспышек был соз дан прибор «Пингвин-М». Научные задачи, решаемые прибором «Пингвин-М» в космическом проекте КОРОНАС-ФОТОН, его устройство и принцип действия подробно изложены в работе [Дер гачев и др., 2010].

Кратко напомним устройство детекторной части прибора и принцип измерения поляризации. Детекторная часть прибора схе матично изображена на рис. 1.

Степень линейной поляризации и позиционный угол плоско сти поляризации жёсткого рентгеновского излучения измеряется по асимметрии комптоновского рассеяния падающего потока. Для этого в составе прибора использовались четыре детектора на основе па ратерфенила (ДР), в которых регистрировались электроны отдачи при комптоновском рассеянии, а также набор из шести пространственно рис. 1. Схема физической части прибора «Пингвин-М»

Поиск поляризации рентгеновского излучения… по данным прибора «Пингвин-М»

ориентированных детекторов-фосвичей (ДФ) из монокристаллов NaJ(Tl), в которых регистрировались рассеянные -кванты. Детек торы ДФ были окружены пластическими сцинтилляторами из по листирола, являющимися боковым защитным детектором, значи тельно снижающим фон от заряженных частиц при использовании метода антисовпадений. Для регистрации комптоновского рассея ния использовался метод двойных совпадений.

Эффективная площадь двойных совпадений для энергии 60 кэВ составляла 6 см2.

алгоритм наХождения СтеПени анизотроПии и линейной Поляризации Измерение степени линейной поляризации основано на зависимо сти преимущественного азимутального направления комптонов ского рассеяния от поляризации первичных квантов, а именно — на кинематике комптон-эффекта. При поляризации падающего излу чения фотон не только рассеивается на угол, но и изменяет азиму тальный угол движения (рис. 2).

Процесс рассеяния линейно поляризованных фотонов описыва ется формулой Клейна – Нишины – Тамма:

E E d r0 E + - 2sin 2 cos 2, = (1) E E d E где r0 = 2,8·10–13 см — классический радиус электрона;

Е и E — энергия падающего и рассеянного фотона соответственно;

и — зенитный и азимутальный углы рассеяния фотона соответственно.

рис. 2. Кинематика комптон-эффекта 78 Ю. Д. Котов, О. Н. Умнова Энергия рассеянного фотона связана с энергией падающего фотона формулой:

E E=, (2) E 1+ (1 - cos ) me где me = 511 кэВ — масса электрона.

Для поляризованного излучения возникает асимметрия рассеян ного излучения относительно азимутального угла. Коэффициент асимметрии R (или анализирующая способность процесса компто новского рассеяния) находится как отношение максимального к ми нимальному сечению рассеяния относительно азимутального угла :

d E E ( = 90°) + R = d E E. (3) = d E E + - 2(sin ) ( = 0°) d E E График зависимости коэффициента асимметрии R от зенитного угла рассеяния представлен на рис. 3.

Для энергий первичного фотона E me коэффициент асимме трии достигает максимума при = 90° и имеет выраженный пик.

С увеличением энергии максимум сдвигается в сторону меньших углов, а пик сглаживается, так, для Е = 10 МэВ = 45°.

рис. 3. Зависимость коэффициента асимметрии R от зенитного угла рассеяния для различных энергий начальных фотонов Поиск поляризации рентгеновского излучения… по данным прибора «Пингвин-М»

Если угол экспериментально не наблюдается, то, интегрируя по этому углу, сечение рассеяния можно представить в виде функ ции от азимутального угла, при этом интегрирование ведется в ин тервале от 0 до [Kotov, 1988].

Сечение рассеяния для 100 % поляризованного падающего излу чения представляется как d a 1 + cos 2. (4) = d 2 Если степень поляризации равна s, то d as 1 + s cos 2, (5) = d 2 где 1 s as = a 1 + (1 - s ), см2;

s = ;

(5a) 2 1 1 + (1 - s ) 2 r02 ln(1 + 2k ) + 1 - 1, см2;

a= k 2 2(1 + 2k ) 1 + ln(1 + 2k ) - k 4 ;

(5б) = 1 k ln(1 + 2k ) + 2 2(1 + 2k ) k = E me ;

E — энергия падающего фотона;

me = 511 кэВ — масса электрона;

s — степень поляризации.

Для прибора «Пингвин-М», регистрирующего рассеянное излу чение, сечение удобно представить в виде d as 1 - cos ( - 0 ), (6) = s d где as и — параметры, зависящие от рассеянной энергии;

0 — s поляризационный угол (по отношению к плоскости прибора, про ходящей через оптические оси первого и четвертого ДФ).

В поляриметре выводится поляризационная 24-элементная ма трица двойных совпадений каждого ДФ с каждым ДР (6ДФ4ДР = 24). Каждая ячейка, в свою очередь, представляет собой матрицу числа совпадений по энергиям для одной пары ДР-ДФ 80 Ю. Д. Котов, О. Н. Умнова в пяти энергетических каналах для ДФ в диапазоне 18…160 кэВ и в четырех энергетических каналах для ДР в диапазоне 0,66…42,5 кэВ (4канДР5канДФ = 20). Для нахождения поляризацион ных параметров (степени анизотропии и поляризационного s угла 0) матрица суммируется по всем энергетическим каналам со ответствующих детекторов ДФ и по четырем ДР, полученные шесть значений отсчетов ДФ используются для анализа. На рис. 4 в виде шестиугольника представлены отсчеты в ДФ для фонового участка 26.10.09 г. с 22:30:00 (UTC) по 22:32:00 (UTC), где длина радиус-век тора r пропорциональна числу отсчетов в соответствующем ДФ, числа в процентах — доля рассеянного излучения в ДФ. Полное чис ло событий во всех ДФ составило 17 920.

Алгоритм нахождения параметра анизотропии и поляризаци s онного угла 0 состоит в том, чтобы полученные эксперименталь ные данные (шесть значений ДФ) аппроксимировать функцией as 1 + cos 2 ( - 0 ).

s Для удобства поиска поляризационных параметров приведенная функция нормируется на единицу 1 + cos 2 ( - 0 ) f (,, 0 ) = s. (7) s 1 + cos ( - 0 ) d s рис. 4. Отображение шести экспериментальных значений ДФ для фонового излучения 26.10.09 г. с 22:30:00 до 22:32:00 (UTC) Поиск поляризации рентгеновского излучения… по данным прибора «Пингвин-М»

C использованием метода наименьших квадратов для шести значений ДФ находятся параметры и 0, ищется минимум функ s ционала:

N - f (,, ) N i i F (, 0 ) = 0, i s (8) s Ni i = где Ni — число событий в ДФi;

i = 1…6 — номер ДФ;

i = (i -1).

Для определения степени поляризации и направления плоско сти поляризации падающего излучения было проведено моделиро вание процесса комптоновского рассеяния в приборе «Пингвин-М»

для вертикально падающего линейно-поляризованного излучения с различными показателями спектра и всех направлений плоскости поляризации.

Была выявлена несимметрия прибора относительно детекторов рассеивателей, что приводит к анизотропии неполяризованного из лучения. Для неполяризованного излучения с энергией 60 кэВ ани зотропия составляет 0,059.

Для ликвидации приборной асимметрии вводятся поправочные коэффициенты Ki для каждого i-го ДФ:

6 1 - p cos 2 (i - p ), Ki = 1- p cos2 (i - p ) i = где p и p — степень анизотропии и поляризационный угол непо ляризованного излучения, зависящие от спектра падающего из лучения.

С учетом коэффициентов, функционал примет вид:

N - f (,, ) K N i i G (, 0 ) = 0.

i s i (9) s Ni i = Для определенного показателя дифференциального степенного спектра падающего излучения ( = –2…–4) определяются величины и 0 при заданной степени поляризации падающего излучения s (которая выбиралась в интервале 0…100 %) и направлении плоско сти поляризации (0…210°). Находится среднее значение по для s соответствующей степени поляризации. Полученная зависимость 82 Ю. Д. Котов, О. Н. Умнова степени анизотропии от степени поляризации для соответствующе го спектра излучения позволяет определить степень поляризации для данного спектра излучения.

Для неполяризованного излучения с показателем спектра 1, 0, 1, = –2,5, p = 0,084, p = 60°,. На рис. 5 представлена ап Ki = 1, 0, 1, проксимация значений ДФ для неполяризованного излучения с = –2,5 функциями без поправок на несимметрию прибора и с по правками.

С учетом поправочных коэффициентов функция, аппроксими рующая экспериментальные значения, близка к окружности с = 0,008.

s рис. 5. Экспериментальные значения Ni (шестиугольник) неполяризованно го излучения с = –2,5, аппроксимированные функцией без учета попра вок (серая окружность) и с поправками на несимметрию прибора (черная окружность) Поиск поляризации рентгеновского излучения… по данным прибора «Пингвин-М»

анализ ВСПыШечныХ Событий на наличие Поляризации В период работы спутника «КОРОНАС-Фотон» с февраля по де кабрь 2009 г. активность Солнца была крайне низкой. За время по лета прибором «Пингвин-М» было зарегистрировано 172 солнечные вспышки, в том числе:

• 58 вспышек класса А;

• 101 вспышка класса В;

• 13 вспышек класса С.

Расхождения с данными GOES связано с особенностями орбиты спутника «КОРОНАС-Фотон» — наличие витков, когда он заходил в тень, проходил мощные источники фоновых потоков (Южно-Ат лантическую аномалию, отроги радиационных поясов Земли), а так же отсутствие данных, по техническим причинам, в некоторые ин тервалы периода времени наблюдений.

26 октября 2009 г. приборами спутника «КОРОНАС-Фотон»

была зарегистрирована вспышка класса С1.3, в которой помимо мягкой компоненты наблюдалось жёсткое рентгеновское излучение [Котов, 2010]. Вспышка произошла в активной области 1029 близко к центру диска Солнца (N12W33, угол наблюдения = 35°).

На стадии нарастания вспышки наблюдалось увеличение счета, связанное с высыпанием заряженных частиц. Прибор «Электрон М-Песка» зарегистрировал электроны 0,2…1 МэВ, но прибор «Пингвин-М» перешел в режим «Всплеск» уже после этого увели чения.

Прибор работал 50 с в режиме «Всплеск» с 22:49:31(UTC) до 22:50:21(UTC), «активный» участок времени, исследуемый на нали чие поляризации, составил 30 с (рис. 6).

Показатель спектра излучения вспышки С1.3 (см. таблицу) опре делялся сравнением спектра рассеянного излучения за выбранный ин тервал времени в детекторах ДФ со спектрами, полученными в резуль тате моделирования. Показатель спектра вспышки С1.3 составил ~–2,5.

В таблице приведены поляризационные параметры вспыш ки С1.3 для всего интервала времени (30 с) и каждых 10 с, найден ные из зависимости степени анизотропии от степени поляризации для = –2,5 (рис. 7).

Положение плоскости поляризации на солнечном диске показа но на рис. 8. Плоскость поляризации проходит под углом 20° против часовой стрелки по отношению к радиусу-вектору, соединяющему область вспышки с центром диска Солнца. Ошибка измерения со ставляет ±10°.

84 Ю. Д. Котов, О. Н. Умнова Степень поляризации для энергий 18…160 кэВ меняется во вре мени от 21±9 % в начале вспышки до 3±9 % в конце, что не проти воречит теоретическим моделям [Гузман и др., 1996]. Значение по ляризации для интервала 30 с составляет 12±6 %. Данные расчеты проводились без вычитания фона из числа двойных совпадений де текторов поляриметра. Полученный результат дает нижний предел степени поляризации ~12 % за 30 с. Результаты обработки с учетом фоновых событий приводят к увеличению поляризации излучения вспышки до 0,66±0,16 за 30 с. Ошибка измерения составляет ±10°.

Поляризационные параметры вспышки С1. Время (uTc) длительность, с Степень анизотропии Степень поляризации 22:49:31 = 0,07 ± 0, 30 s = 0,12±0, 22:50:01 s 22:49:31 = 0,11 ± 0, 20 s = 0,18±0, 22:49:51 s 22:49:31 = 0,13 ± 0, 10 s = 0,21±0, 22:49:41 s 22:49:41 = 0,10 ± 0, 10 s = 0,17±0, 22:49:51 s 22:49:51 = 0,03 ± 0, 10 s = 0,03±0, 22:50:01 s рис. 6. Временной ход интенсиметров «Электрон-М-Песка» и «Пинг вин-М» во время вспышки С1.3. Отмечен интервал времени, исследуемый во вспышке на наличие поляризации по данным прибора «Пингвин-М»

Поиск поляризации рентгеновского излучения… по данным прибора «Пингвин-М»

рис. 7. Зависимость степени анизотропии от степени поляризации для показателя спектра падающего излучения = –2, рис. 8. Положение плоскости поляризации жесткого рентгеновского излу чения на солнечном диске по оценке прибора «Пингвин-М». Использова но изображение Солнца, полученное во время вспышки 26 октября 2009 г.

в 22:47:10 (UTC) прибором GOES 86 Ю. Д. Котов, О. Н. Умнова заключение Алгоритм определения степени анизотропии представлен впер вые и опробован на вспышке класса С1.3. За время работы прибора «Пингвин-М» вспышек выше класса С с жесткой компонентой не наблюдалось, что не дало возможности проверить алгоритм еще раз.

Стоит отметить, что даже для вспышки класса С представленная ме тодика позволяет восстановить степень поляризации вследствие вы сокой эффективности регистрации прибора. Данный алгоритм мо жет быть использован для приборов схожей конструкции.

литература [Богомолов и др., 2003] Богомолов А. В., Денисов Ю. И., Логачев Ю. И. и др.

Временные, спектральные и поляризационные характеристики жесткого рентгеновского излучения солнечных вспышек, наблюдавшихся в экс перименте СПР-Н на борту орбитальной обсерватории «КОРОНАС-Ф»

// Изв. РАН. Сер. физ. 2003. Т. 67. № 10. С. 1422–1426.

[Гузман и др., 1996] Гузман А. Б., Кудрявцев И. В., Чариков Ю. Е. Эволюция ускоренных в солнечных и звездных вспышках электронов и импульс ная структура жесткого рентгеновского излучения // Астрон. журн. 1996.

Т. 73. С. 272–279.

[Дергачев и др., 2010] Дергачев В. А., Матвеев Г. А., Круглов Е. М. и др. При бор «ПИНГВИН-М», предназначенный для исследования поляризации жёсткого рентгеновского излучения Солнца в космическом проекте КОРОНАС-Фотон // Первые этапы летных испытаний и выполнение программы научных исследований по проекту КОРОНАС-ФОТОН: Тр.

рабочего совещания. Россия, Таруса. М.: ИКИ РАН. 2010. С. 83–105.

(Сер. «Механика, управление и информатика»).

[Кельнер, Скрынников, 1985] Кельнер С. Р., Скрынников Ю. И. Поляризация и направленность жесткого рентгеновского тормозного излучения в сол нечных вспышках // Астрон. журн. 1985. Т. 62. С. 760–767.

[Котов, 2010] Котов Ю. Д. Высокоэнергичные вспышечные процессы на Солнце и их исследование на российских спутниках КОРОНАС // Успе хи физ. наук. 2010. Т. 180. № 6. С. 647–661.

[Сомов, Сыроватский, 1976] Сомов Б. В., Сыроватский С. И. Физические процессы в атмосфере Солнца, вызываемые вспышками // Успехи физ.

наук. 1976. Т. 120. С. 217–257.

[Сомов, Тиндо, 1978] Сомов Б. В., Тиндо И. П. О поляризации жесткого рент геновского излучения солнечных вспышек // Космич. исслед. 1978.

Т. 16. С. 686–697.

[Kotov, 1988] Kotov Yu. D. Methods of measurement of gamma-ray polarization // Space Science Reviews. 1988. V. 49. P. 185–195.

Поиск поляризации рентгеновского излучения… по данным прибора «Пингвин-М»

[Tindo et al., 1970] Tindo I. P., Ivanov V. D., Mandel’stam S. L., Shurygin A. I.

Polarization of the emission of X-ray solar flares // Solar Phys. 1970. V. 14.

P. 204–207.

SeaRch polaRiZaTion x-RaY RadiaTion in a flaRe of 26.10.2009 fRom The penguin-m Yu. d. Kotov, o. n. umnova National Research Nuclear University “MEPhI” (NRNU MEPhI), Astrophysics Institute MEPhI, Moscow, Russia During flight the device Penguin-M has registered 172 solar flares, including 13 flares of a class C. Flare class C1.3 is registered 26 Oc tober 2009 by scientific apparatus CORONAS-Photon, in particu lar, the device Penguin-M. In flare C1.3 it was observed both soft and rigid x-ray radiation. In the paper are presented the principle of determining the degree of linear polarization of X-rays from solar flares according to the device Penguin-M, based on the restoration the degree of polarization on the azimuthal asymmetry of Compton scattering in the case of the polarization of the incident radiation.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.